陰離子型發(fā)泡劑在泡沫粉煤灰水泥中的應用研究

童漢清，梁 亮，羅剛富

（廣東石油化工學院， 廣東 茂名 525000）

隨著生產(chǎn)力的快速發(fā)展，世界各國能源的消耗量日益增加，全球能源需求量正以每年 2%的比率增長。有關部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：在各國的能源消耗比例中，建筑能耗都占有很高的比重，最高甚至可以達到能源消耗總量的40%[1,2]。

我國資源占有量不到世界平均水平的1/5，而單位建筑面積能耗則是氣候相近的發(fā)達國家的 3～5 倍[3]。由于我國對建筑物的保溫、隔熱、氣密性重視不夠，大部分既有建筑和新建建筑的保溫、隔熱和氣密性都較差。據(jù)統(tǒng)計，到目前為止，我國既有的400 多億 m2城鄉(xiāng)建筑中，99%為高能耗建筑，新建的房屋建筑中，95%以上仍是高能耗建筑。如果高能耗建筑繼續(xù)大量興建，建筑能耗將急劇增加，不但會給我國能源供應帶來巨大壓力，而且會造成嚴重的環(huán)境污染，這與我國實施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背道而馳[4,5]。由此可見，開發(fā)出適合我國國情的高效保溫隔熱材料、大力推廣節(jié)能建筑、認真貫徹我國的節(jié)能標準，對于節(jié)約采暖能耗、保護環(huán)境、保持我國國民經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展具有極其重要的意義[6,7]。

泡沫水泥是在水泥制品中引入泡沫，使其內(nèi)部產(chǎn)生分布均勻的、相互獨立的細小封閉氣孔，以形成質(zhì)量輕、保溫隔熱及隔音性能好的新型材料。泡沫水泥在屋面保溫層、非承重墻體等建筑行業(yè)以及化工熱力管道的保溫隔熱等領域有著廣泛的應用空間[8,9]。

生產(chǎn)泡沫水泥的關鍵因素之一是配制發(fā)泡劑。能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很多，但是并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能用于泡沫水泥制品的生產(chǎn)。只有在泡沫和料漿混合時泡沫薄膜不易破壞，泡沫具有足夠的穩(wěn)定性，對水泥的凝結和硬化不起有害影響的泡沫劑，才能用來生產(chǎn)泡沫水泥。

選取不同的陰離子表面活性劑并摻入適量的自制穩(wěn)泡劑配制復合發(fā)泡劑，添加一定量的粉煤灰制備泡沫水泥，研究發(fā)泡劑的種類與濃度以及粉煤灰添加量對泡沫水泥導熱系數(shù)與抗壓強度等性能參數(shù)的影響，為發(fā)泡劑及粉煤灰在泡沫水泥中的應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（32.5 級），廣東茂名天橋水泥廠；粉煤灰，廣東茂名石化公司；十二烷基苯磺酸鈉（LAS），天津市永大化學試劑有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES），廣州豐煌化工科技有限公司；α-烯烴磺酸鈉（AOS），廣州豐煌化工科技有限公司。

穩(wěn)泡劑：凝膠狀物質(zhì)，自制。

1.2 主要儀器設備

DRM-I 導熱系數(shù)測試儀，湘潭市儀器儀表有限公司；300kN 壓力機，濟南恒思盛大儀器有限公司。

1.3 實驗方法

(1)在普通硅酸鹽水泥中添加不同比例的粉煤灰，拌制水膠比為0.5 的水泥漿料，經(jīng)注模、脫模、養(yǎng)護，進行抗壓強度及導熱系數(shù)測定，考察粉煤灰用量對水泥石性能的影響，確定粉煤灰的適宜用量。

(2)選用3 種陰離子表面活性劑作為泡沫水泥發(fā)泡劑，考察不同濃度發(fā)泡劑溶液的發(fā)泡能力、泡沫穩(wěn)定性及泡沫泌水量等性能指標，篩選出適宜的表面活性劑用于制作發(fā)泡劑。

(3)在發(fā)泡劑溶液中加入自制的穩(wěn)泡劑，考察穩(wěn)泡劑加入量對3 種發(fā)泡劑性能指標的影響，確定適宜的穩(wěn)泡劑用量，以配制復合發(fā)泡劑。

(4)在普通硅酸鹽水泥中添加一定量的粉煤灰，并加入不同用量的復合發(fā)泡劑，經(jīng)注模、脫模、養(yǎng)護，進行抗壓強度及導熱系數(shù)測定，考察復合發(fā)泡劑用量對泡沫水泥石抗壓強度和導熱系數(shù)的影響。

2 實驗結果與分析

2.1 粉煤灰對不同齡期水泥石抗壓強度的影響

采用40%粉煤灰、水膠比為0.5 的水泥石進行抗壓實驗，考察粉煤灰對不同齡期水泥石抗壓強度的影響，并與空白相對照。實驗結果見表1。

表1 粉煤灰對水泥石抗壓強度的影響Table 1 Effect of fly ash on the compressive strength of the foam cement paste

表1 實驗結果表明，粉煤灰的摻入對早期水泥石抗壓強度有減弱作用，而齡期60 d 后，粉煤灰對水泥石抗壓強度有明顯的增強作用。

粉煤灰是煤粉燃燒后的煙氣中收集的細灰。煤粉在燃燒過程中絕大部分可燃物都能在爐內(nèi)燒盡，少量不燃物(主要為灰分) 以熔融狀態(tài)混雜在高溫煙氣中，隨著煙氣溫度的降低，熔融的細粒因受到一定程度的急冷而形成呈玻璃體狀態(tài)的粉煤灰。

粉煤灰對水泥石抗壓強度的影響主要是由三個因素的共同作用：一是粉煤灰的填充作用，粉煤灰的摻入能夠減少水泥石中的孔隙，使其微結構更加密實；二是粉煤灰的摻入能夠使水泥顆粒在漿體里分布得更為均勻，水化更為充分，從而提高了水泥石的抗壓強度[10]；三是粉煤灰中含有活性SiO2和活性Al2O3，活性SiO2與活性Al2O3在有水份存在的條件下能與 Ca(OH)2或其他堿土氫氧化物發(fā)生化學反應，生成強度高、穩(wěn)定性好的低堿性水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣[11]。

當在水泥水化過程中加入適量的粉煤灰后，水泥的水化過程存在二次反應過程：首先是水泥熟料的水化，放出 Ca(OH)2，然后粉煤灰中的活性 SiO2和Al2O3與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，并逐漸結硬而具有強度，其反應式可寫為[12]：

xCa(OH)2+SiO2+(n-1)H2O → CaO·SiO2·nH2O

xCa(OH)2+Al2O3+(n-1)H2O → xCaO·Al2O3·nH2O

粉煤灰水泥石的早期強度發(fā)展緩慢，主要是因為粉煤灰外層有一層致密的玻璃質(zhì)表層，阻礙了粉煤灰與堿性化合物的水化作用，因此，粉煤灰對水泥石早期強度的貢獻很小，而粉煤灰顆粒對水泥顆粒的解絮作用甚至會使粉煤灰水泥石的早期強度降低[13]。

隨著水泥水化析出的 Ca(OH)2逐漸侵蝕玻璃質(zhì)表層，粉煤灰顆粒的內(nèi)部表面暴露出來，粉煤灰顆粒將充分參與水化作用，與Ca (OH)2反應形成水化產(chǎn)物，因此，粉煤灰水泥石后期強度比普通水泥石有顯著增長。

2.2 粉煤灰用量對水泥石性能的影響

以0.5 的水膠比，齡期60 d，采用不同的粉煤灰摻量進行水泥石抗壓實驗及導熱系數(shù)測定實驗，考察粉煤灰摻量對水泥石的抗壓性能及導熱性能的影響，并與未添加粉煤灰的水泥石相對照。實驗結果見表2。

表 2 抗壓強度實驗結果表明，粉煤灰摻量在30%以內(nèi)時，其抗壓強度均大于未添加粉煤灰的水泥石，粉煤灰摻量為30%時抗壓強度最高，隨著粉煤灰摻入量的增加，抗壓強度呈下降趨勢，粉煤灰摻量達到40%以后，抗壓強度降幅也迅速加大。

表2 導熱系數(shù)實驗結果表明，隨著粉煤灰摻入量的增加，導熱系數(shù)逐漸下降。粉煤灰是呈玻璃體狀態(tài)的多孔型蜂窩狀結構，孔隙率高達50%～80%，這些孔結構增加了傳熱熱阻，使水泥石導熱性能下降，保溫性能變好。

表2 粉煤灰摻量對水泥石抗壓強度和熱導熱系數(shù)的影響Table 2 Effect of fly ash quantity on the compressive strength and thermal conductivity of the foam cement paste

2.3 發(fā)泡劑的性能測試實驗

發(fā)泡劑的性能主要通過發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)、泡沫半衰期及泌水量等技術指標來表達。發(fā)泡倍數(shù)反映發(fā)泡劑的發(fā)泡能力，泡沫半衰期反映發(fā)泡劑的泡沫穩(wěn)定性，泡沫泌水量為泡沫破壞后所產(chǎn)生發(fā)泡劑水溶液的體積。

發(fā)泡劑性能技術指標的實驗測定方法：將一定濃度的發(fā)泡劑溶液在一定轉(zhuǎn)速下（大于1 000 r/min）攪拌60 s 充分發(fā)泡，將制成的泡沫注入容積為250 mL、直徑為60 mm 的無底玻璃桶內(nèi)，兩端刮平，稱取泡沫質(zhì)量（總重量減去空玻璃筒重量），即為發(fā)泡劑溶液的質(zhì)量，發(fā)泡劑溶液密度視為1.0 g/mL 得出發(fā)泡劑溶液的體積，泡沫體積與發(fā)泡劑溶液體積之比即為發(fā)泡倍數(shù)。取1 000 mL 量筒并注入泡沫，量筒口加蓋靜置，記錄泡沫高度下降一半所需時間，即泡沫半衰期。同時記錄靜置 1 h 內(nèi)泡沫破壞所產(chǎn)生發(fā)泡劑水溶液的體積，即為泡沫泌水量。

陰離子表面活性劑能大幅降低水溶液的表面張力，有利于泡沫的形成，具有良好的發(fā)泡性能，是目前使用最多的一類發(fā)泡劑。

選用十二烷基苯磺酸鈉（LAS）、α-烯烴磺酸鈉（AOS）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）3 種陰離子表面活性劑作為發(fā)泡劑，實驗測定不同濃度下發(fā)泡劑溶液的發(fā)泡倍數(shù)、泡沫半衰期與泡沫泌水量。實驗結果見圖1、圖2、圖3。

圖1 與圖2 的實驗結果表明，AOS 的發(fā)泡能力與泡沫穩(wěn)定性均優(yōu)于AES 和LAS，LAS 的發(fā)泡能力優(yōu)于AES，但泡沫穩(wěn)定性弱于AES。當AOS 及LAS濃度高于0.8%時，發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)均已大于20。

圖1 發(fā)泡劑濃度對發(fā)泡倍數(shù)的影響Fig.1 Effect of concentration of foaming agent on foaming multiple

圖2 發(fā)泡劑濃度對泡沫半衰期的影響Fig.2 Effect of concentration of foaming agent on foaming half-life

圖3 發(fā)泡劑濃度對泡沫泌水量的影響Fig.3 Effect of concentration of foaming agent on foaming bleeding

圖3 實驗結果表明，3 種陰離子表面活性劑的泡沫泌水量接近，濃度高于0.6%時，泡沫泌水量均已小于80 mL，3 種陰離子表面活性劑的濃度高于0.8%后，泌水量變化幅度趨緩。

以上發(fā)泡劑的性能測試實驗結果得出結論：表面活性劑AOS 的發(fā)泡能力、泡沫穩(wěn)定性以及泡沫泌水量等性能指標均優(yōu)于AES 和LAS，濃度為0.8%的AOS 溶液的泡沫技術指標已經(jīng)達到較好的水平。

2.4 穩(wěn)泡劑用量對發(fā)泡劑性能影響的測試實驗

依據(jù)以上實驗結果，選用含AOS、AES 及LAS濃度各為0.8%的3 種發(fā)泡劑溶液，分別加入不同用量的自制穩(wěn)泡劑G，采用2.3 實驗方法測定發(fā)泡劑的性能指標，考察穩(wěn)泡劑用量對發(fā)泡劑性能的影響。實驗結果見圖4、圖5。

穩(wěn)泡劑G 為膠類物質(zhì)，溶解在水溶液中可明顯增加水溶液的粘度，繼而增加氣泡液膜的韌度和強度，降低氣泡液膜厚度變小的速度，明顯提高了泡沫的穩(wěn)定性。但溶液粘度增加，增大單位表面積所需的功也增大，同樣大小的功能夠增大的表面積則減小[14]，發(fā)泡劑的發(fā)泡能力則略有降低。

圖4 穩(wěn)泡劑濃度對發(fā)泡倍數(shù)的影響Fig.4 Effect of concentration of foam stabilizer on foaming multiple

圖5 穩(wěn)泡劑濃度對泡沫半衰期的影響Fig.5 Effect of concentration of foam stabilizer on foaming half-life

圖4、圖5 實驗結果表明，在表面活性劑濃度為0.8%的3 種發(fā)泡劑中加入自制穩(wěn)泡劑G，其發(fā)泡能力均有所下降，穩(wěn)泡劑濃度為0.4%以內(nèi)（穩(wěn)泡劑量/發(fā)泡劑量）時，AOS 溶液的發(fā)泡能力仍高于AES溶液和LAS 溶液。穩(wěn)泡劑G 對3 種發(fā)泡劑泡沫穩(wěn)定性均有良好的提升作用。表3 統(tǒng)計了0.3%濃度的穩(wěn)泡劑G 對發(fā)泡劑發(fā)泡能力及泡沫穩(wěn)定性影響幅度。

表3 穩(wěn)泡劑G 對發(fā)泡劑發(fā)泡能力與泡沫穩(wěn)定性的影響Table 3 Effect of foam stabilizer G on the foaming capacity and foam stability of the foaming agent

表3 實驗數(shù)據(jù)表明，穩(wěn)泡劑對泡沫穩(wěn)定性的增強作用遠高于對發(fā)泡能力的削弱作用。

2.5 泡沫水泥石的性能測試實驗

泡沫水泥的制備方法有兩種，一是在膠凝材料中摻入發(fā)泡劑，使膠凝材料在制漿攪拌過程中自然發(fā)泡，稱之為混合攪拌法。另一種方法是預制泡混合法，首先使用高速攪拌機把發(fā)泡劑預先制成泡沫，再將一定體積的泡沫摻入按一定配比制成的水泥漿體中，制成泡沫水泥制品。

實驗采用預制泡混合法制備粉煤灰泡沫水泥試樣，泡沫與水泥漿攪拌均勻立即注模，24 h 后脫模，養(yǎng)護28 d。

在濃度為0.8%的AOS 溶液中添加0.3%的自制穩(wěn)泡劑G，配制復合發(fā)泡劑。按30%的粉煤灰摻量，50%的水膠比，取用不同用量的復合發(fā)泡劑制備泡沫水泥試塊，進行試塊的抗壓強度與導熱系數(shù)測定實驗，考察發(fā)泡劑用量（發(fā)泡劑量/(水泥+粉煤灰)）對泡沫水泥性能的影響，并與未添加穩(wěn)泡劑的發(fā)泡劑相比較。實驗結果見圖6、圖7。

圖6 發(fā)泡劑用量對泡沫水泥抗壓強度的影響Fig.6 Effect of composite foaming agent quantity on the compressive strength of the foam cement paste

圖7 發(fā)泡劑用量對泡沫水泥導熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of composite foaming agent quantity on the thermal conductivity of the foam cement paste

圖6、圖7 實驗結果表明，隨著發(fā)泡劑用量的增加，水泥料漿中形成閉合氣泡量加大，泡沫水泥的抗壓強度與導熱系數(shù)均大幅降低，且采用添加穩(wěn)泡劑的復合發(fā)泡劑制備泡沫水泥，其抗壓強度與導熱系數(shù)較未添加穩(wěn)泡劑均有明顯降低，說明穩(wěn)泡劑的作用使泡沫水泥中氣泡含量有所增加。發(fā)泡劑用量大于3.5%，泡沫水泥石的抗壓強度與導熱系數(shù)變化幅度均趨于平穩(wěn)，說明發(fā)泡劑用量大于3.5%后，泡沫水泥石內(nèi)氣泡含量已變化不大。

3 結 論

通過粉煤灰泡沫水泥的系列實驗研究，得出以下結論：

（1）粉煤灰的摻入可明顯降低水泥石的導熱系數(shù)。粉煤灰對早期水泥石抗壓強度有減弱作用，對齡期大于60 d 的水泥石抗壓強度有增強作用。

（2）AOS、AES 及LAS 3 種陰離子表面活性劑均有較好的發(fā)泡性能，AOS 的泡沫性能指標優(yōu)于AES 和LAS，濃度為0.8%的 AOS 溶液的泡沫性能技術指標已經(jīng)達到較好的水平。

（3）在3 種發(fā)泡劑中加入自制穩(wěn)泡劑G，其發(fā)泡能力均略有下降，但泡沫穩(wěn)定性均有明顯提高。

（4）選用含量為0.8%的AOS 溶液并添加0.3%穩(wěn)泡劑G 的復合發(fā)泡劑制備泡沫水泥，其抗壓強度與導熱系數(shù)隨著發(fā)泡劑用量增加均有明顯降低。復合發(fā)泡劑用量達到3.5%時，泡沫水泥石的導熱系數(shù)已降至0.12 W/(m·K)，其抗壓強度為1.6 MPa。

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